水电站的防沙措施

洪振国，洪振权

（1.云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021；2.中国水电十四工程局，云南 昆明 650021）

1 影响水轮机磨损的主要因素

相关料资表明,水中含沙量大，运行水轮机的磨损程度严重；而在含沙量小时，则水轮机仅发生气蚀现象。即在相同含沙水流条件下，水头越高、磨损破坏越严重；过流部件的材质与制造水平越差,磨损破坏越严重。另有文献料资表明,在不同的粒径泥沙下运行时，同一水轮机被破坏特征差异很大。泥沙粒径大，对水轮机磨损严重；泥沙粒径小，对则水轮机仅发生气蚀现象。同时根据公式（1）：

式中：W 为磨损量，cm；K 是系数，为 0.558×10-9；V为水流相对流速，m/s；Sd为含沙量，kg/m3；T 为磨损历时，h；试验材料是30号铸钢。表明水流相对流速越大,磨损破坏越严重。由此可知，泥沙对水轮机磨损程度与河流含沙量的多少及泥沙粒径、水头、流速、水轮机的制造工艺水平有关。

2 防沙措施

绿水溏水电站是以发电为单一任务的、径流式开发高水头电站。绿水溏水电站装机容量2×5 MW，设计水头388 m，引用流量3.72 m3/s。工程规模为小（1）型工程，工程等别为Ⅳ级，根据工程级别，主要建筑物大坝按4级设计，次要建筑物按5级设计，临时性建筑物按5级设计。工程枢纽由大坝、沉沙池、引水渠道、前池、压力管道、厂房及升压站组成。

在位于绿水溏村附近的绿水溏河段上筑大坝取水，大坝后接沉沙池，沉沙池池身长40 m，宽7 m，底坡为1%；经过3.03 km引水明渠引水至盐防坡，经压力前池到进水室，再通过1058 m的压力管道引至南盘江右岸地面厂房发电。

根据土壤侵蚀程度的大小，结合流域实地植被现状等下垫面情况综合考虑，取各侵蚀类型的侵蚀模数中下限值进行泥沙总量推求，按推悬比20%的经验值计算，成果见表1。

表1 泥沙成果表

从表1得知：绿水溏电站设计过流量为3.72 m3/s，多年平均含沙量为0.76 kg/m3，冲击式水轮机组设计水头338 m，影响水轮机磨损的主要因素按上述分析，水轮机的磨损与水中泥沙含量、泥沙粒径、水头、水轮机制造工艺水平、水流相对流速、泥沙的磨损能力综合系数和泥沙的磨损能力综合系数、机组实际运行时间、水轮机制造材质的耐磨系数等诸多因素有关，为了防止水中有害的泥沙对水轮机的磨损及影响发电效益，采取必要有害的泥沙处理。泥沙处理措施如下。

2.1 大坝防沙措施

大坝自左岸向右岸依次为非溢流坝段、溢流坝段、冲砂闸取水闸坝段、非溢流坝段。

由于绿水河为山区性河流，洪水期洪峰流量大，含沙量大，为了保证水电站取水闸“门前清”，所以必要做好大坝防沙措施，防止大量的推移质泥沙大量进入水口闸，影响引水渠过流能力及水轮机的磨损，应对有害的泥沙进行处理,措施如下。

1）在取水闸左边布置冲沙闸，采用钢筋混凝土结构，冲沙孔孔口尺寸为2.0 m×2.0 m，底板高程1345.50 m，低于取水闸1.5 m，与原河床高程同高。从而有效地减少了水轮机磨损。

2）取水闸前设有冲沙槽，冲沙槽宽8～2 m，冲沙槽前宽后窄，以保证槽内流量沿程渐减，但纵流速仍能均匀分布，设置一定的2%纵坡，以便有利于底沙的排除。

3）在取水闸前设置拦沙坎的高度为1.5 m，防止大量的推移质泥沙大量进入水口闸。

2.2 沉沙池防沙措施

沉沙池总长52 m。由首部扩散段、池身段、出水室及冲沙闸室、冲沙泄水道等部分组成。

沉沙池防沙措施是继大坝后的第二道防沙，是最重要的防沙设施。沉沙池作为一种建筑物，能起到沉降挟沙水流中泥沙颗粒大于设计沉降粒径的悬移质泥沙、降低水流中含沙量的作用，防止泥沙进入水轮机，造成水轮机的磨损，泥沙处理具体措施如下。

1）沉沙池池身长 40 m，宽 7 m，深 2.98～3.38 m，降低流速，有效地沉降危害泥沙。

2）沉沙池正向冲沙，侧向进水，底坡为1%，冲沙道入口设立一道1 m×1 m平板冲沙闸门，以便将沉积在沉沙池底部的泥沙引入冲沙孔排走。

2.3 前池防沙措施

绿水溏电站压力前池布置设计采用水力条件较好的正向进水方式,侧向冲沙。前池总长57 m，总容积671 m3，有效容积497 m3。由首部扩散段、池身、进水室、溢流堰、冲沙闸室、冲沙泄水道等部分组成。

为了防止水中有害的泥沙对水轮机的磨损及影响发电效益，有必要有害的泥沙处理,泥沙处理具体措施如下。

1）为了考虑压力前池有害的泥沙沉降，池身采用宽B=6 m，池深H=4.9 m，从而有效地降低沉沙池平均流速。

2）将冲沙槽布置在前池中间，有利于平稳水流，同时利于冲沙。冲沙槽宽1.8 m，冲沙槽末端冲沙闸连接，侧向冲沙。冲沙闸底板高程为1340.33 m，顶高程1346.22 m，设置1 m×1 m平面钢闸门一道，定期冲沙，闸门采用螺杆机启闭。闸后与溢流堰槽相汇，而后进入冲沙道泄水。

3）冲沙槽纵向底坡采较陡i=6.371%底坡，冲沙流速达急流时的底坡,容易冲沙排沙。

4）前池均设有侧向坡，侧向坡坡度应大于淤积泥沙的休止角，以便冲沙。

2.4 加强管理水平和及时维修

水电站要力争在优良的工况下运行，尽量避免在空载和小负荷等不利工况下工作，减少水轮机磨损。需要即时水轮机检修，当电焊和刨削工作量大时，要特别防止变形，焊后要保证表面粗糙度在6.3 μm以下。为保护水轮机的叶片，过流部件进行涂料防护，提高水轮机具有较强的搞磨损性能。

在大坝、沉沙池及压力前池的运行中设专人进行观测和数据整编，可以掌握沉沙池运行过程中的水沙变化、泥沙沉降率、泥沙沉降标准，掌握冲沙时机，以指导大坝、沉沙池及压力前池合理运行，同时也是提高大坝、沉沙池及压力前池设计、运行管理水平和充分发挥工程效益的有效措施。

3 防沙效果

河水泥沙资料如表2，大坝、沉沙池及前池经防沙措施后的含沙含沙量及粒径。

从河水泥沙资料表2可知，绿水溏水电站天然河水泥沙最大粒径大于0.5 mm，最小粒径小于0.1 mm，大于0.5 mm粒径泥沙沙重百分数为5%，0.5～0.1 mm粒径泥沙沙重百分数为75%，小于0.1 mm粒径泥沙沙重百分数为25%，泥沙沙重百分数主要集中粒径0.5～0.1 mm之间，在泥沙粒径最大的沉降速度5.67 cm/s，最小的沉降速度0.15 cm/s，泥沙粒径越大，沉降速度越大。

表2 河水泥沙资料

从河水和防沙措施后各建筑物的泥沙特性表3可知，绿水溏水电站天然河水多年平均含沙量为0.76 kg/m3，泥沙大最粒径大于0.5 mm，经大坝防沙措施后，在大坝出水口设计过流量为3.72 m3/s中，平均含沙量为0.72 kg/m3，泥沙大最粒径小于0.5 mm，大坝出水口的平均含沙量比天然河水减少了0.04 kg/m3，有效防止沉降了粒径大于0.5 mm的推移质泥沙进入大坝出水口。经沉沙池防沙措施后，在沉沙池出水室设计过流量为3.72 m3/s中，平均含沙量为0.30 kg/m3，泥沙大最粒径小于0.25 mm，沉沙池出水室的平均含沙量比大坝出水处减少了0.42 kg/m3，沉降了全部粒径大于0.25 mm的泥沙，同时沉降了部份粒径小于0.25 mm的泥沙。再经过前池防沙措施后，在前池出水口设计过流量为3.72 m3/s中，平均含沙量为0.25 kg/m3，泥沙大最粒径小于0.10 mm，沉沙池的平均含沙量比大坝出水处减少了0.42 kg/m3，前池出水口的平均含沙量比沉沙池出水室口出水处减少了0.05 kg/m3，沉降了全部粒径大于0.10 mm的泥沙，同时沉降了部份粒径小于0.10 mm的泥沙。其中水电站防沙最重要的建筑为沉沙池，最有效地沉沙。

绿水溏水电站设计时已经采取3道防沙措施，通过水轮机平均含沙量仅为0.25 kg/m3，泥沙大最粒径大于0.1 mm，水电站设计水头338 m，机组的转轮叶片、底环、转轮室均采用不锈钢整铸，叶片翼型制造误很小，表面光洁度很高，同时注重管理水平，运行中设专人进行观测和数据整编，可以掌握沉沙池运行过程中的水沙变化、泥沙沉降率、泥沙沉降标准，掌握冲沙时机。有效地防止挟带大量粗沙的水流，通过水轮机引起了磨损，水电站在优良的工况下运行，10年绿水溏水电站运行，水轮机磨损极其轻微，没有大检修，机组运行效率很好，受到各方的好评。

表3 河水和防沙措施后各建筑物的泥沙特性

4 结语

如果水中有害的或过多的泥沙进入渠道，泥沙将会淤积引水渠道，影响渠道过流能力，同时引起水轮机的磨损。水轮机磨损使机组效率下降，出力不足，强度削弱，严重时不得不停机修，不仅影响了发电，而且检修工程量较大，造成了很大的经济损失。

绿水溏水电站大坝设置冲底孔排沙、拦沙坎及冲沙槽，解决水电站取水闸“门前清”，大大减少粗沙通过水轮机及通过水轮机含沙量。沉沙池沉降挟沙水流中泥沙颗粒大于设计沉降粒径的悬移质泥沙、大大降低水流中含沙量，压力前池是继大坝、沉沙池后的3次防沙，防止泥沙进入水轮机，造成水轮机的磨损。注重水轮机制造材质和加强管理水平，及时冲沙和水轮机的维修，水电站在优良的工况下运行。

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